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La foudre bat des records

CC BY SA André Karwath aka Aka

Les éclairs et la foudre sont parmi les phénomènes naturels les plus spectaculaires. On estime que chaque seconde l’atmosphère terrestre est traversée par une cinquantaine de ces décharges électriques. En effet, ...

Un moteur moléculaire à effet tunnel

Credit: Empa
Un moteur quantique
Comme d’autres moteurs moléculaires de cette échelle, le fonctionnement de ce nanomoteur conçu à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), met en jeu la mécanique quantique. Mais l’originalité de ce nouveau moteur réside dans le fait que la cause-même ...

Photo-ionisation

A photo of the COLTRIMS reaction microscope built by Alexander Hartung as part of his doctoral research in the experiment hall of the Faculty of Physics. Credit: Alexander Hartung.

La quantité de mouvement de la lumière

Bien que de masse nulle, la lumière possède une quantité de mouvement ...

Vers de nouvelles technologies de chargeurs

Image Vedecom - DR

Des composants indispensables

De nombreux appareils électriques fonctionnant sur piles ont besoin d’être chargés régulièrement. On emploie donc des accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont rechargeables un très grand nombre de fois, contrairement aux piles. Téléphones ...

Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, ...

Tromper une caméra thermique

Caméras thermiques : « filmer la température »

Tout corps, en raison de sa température, émet par sa surface un rayonnement dont le spectre (fréquence ou longueur d’onde en abscisse, intensité en ordonnée) couvre théoriquement toute la gamme des ondes électromagnétiques, l’intensité de l’émission variant ...

Piles bêtavoltaïques au carbone 14 recyclé

Des piles « bêtavoltaïques »

Certains noyaux radioactifs, généralement ceux possédant trop de neutrons par rapport à leurs protons, transmutent un neutron en proton, électron et antineutrino. Cette réaction s’appelle la radioactivité bêta moins et s’écrit n -> p + e- + v. L’électron est émis avec une énergie moyenne de 50 keV. On parle de « rayonnement bêta » ou « électron bêta ». L’énergie de l’électron peut être mise à profit en étant convertie en électricité dans un semi-conducteur, de la même manière que l’énergie du photon est employée dans les piles photovoltaïques.

Les piles « bêtavoltaïques » ont ainsi vu le jour au cours des années 1970. La source bêta radioactive employée était le prométhium-147 ou Pm-147. Elles ont été surtout utilisées pour alimenter les pacemakers. Mais les piles « lithium-ion » offrant de meilleures performances, notamment avec une meilleure durée de vie, sont venues les supplanter sans leurs défauts. L’inconvénient majeur de ces « bêtapiles » provenait du fait qu’elles contenaient non seulement du Pm-147 mais aussi du Pm-146 émetteur de rayonnement gamma qu’il fallait arrêter. Aussi, l’essentiel du volume de ces piles était occupé par de la matière employée comme écran pour stopper ce rayonnement. Ces piles ont donc disparu du paysage.

Un moyen d’utiliser le carbone 14

L’idée de l’énergie bêtavoltaïque n’a pas été abandonnée pour autant. Elle a d’ailleurs refait surface récemment avec comme objectif d’employer le carbone-14 comme source d’énergie. Pour mémoire, le carbone occupe la sixième case du tableau périodique des éléments et possède donc 6 électrons et 6 protons. L’essentiel du carbone sur Terre possède également 6 neutrons. C’est le Carbone-12 ou 12C. L’isotope naturellement très rare du carbone (1 atome sur 1012) avec 8 neutrons ou 14C est instable, radioactif bêta. Or, les Britanniques possèdent beaucoup de C-14 dont ils ne savent que faire. En effet, la technologie employée dans certaines de leurs centrales nucléaires fait appel au graphite comme modérateur, pour réduire la vitesse des neutrons. Mais ce bombardement neutronique produit d’importantes quantités de C-14. Ce radioisotope serait ainsi recyclé dans des piles d’une nouvelle génération, employées dans certains dispositifs électroniques, notamment à bord de satellites. Mais une source bêta ne suffit pas, il faut aussi un semi-conducteur. Or, le carbone est un semi-conducteur. Par conséquent les piles envisagées sont formées de carbone avec une part de C-14.

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Radiographier les volcans grâce aux muons
En imagerie géophysique, la tomographie par muons cosmiques permet de comprendre la dynamique du système hydrothermal des volcans.

Flux de muons cosmiques

Dans le modèle standard de la physique des particules, les muons sont des particules élémentaires chargées parfois appelées « électrons lourds ». Produits par la collision entre une particule cosmique et un atome de gaz de la haute atmosphère terrestre, leur durée de vie moyenne est de 2,2 microsecondes. Depuis le ciel, dix mille muons par mètre carré et par minute se déversent sur nous. Très énergétiques, ces particules ont un grand pouvoir de pénétration dans la matière, ce qui signifie qu'elles peuvent traverser plusieurs centaines de mètres de roche.

Installés en contrebas de l'objet d'étude, qui peut être une pyramide, un plateau karstique ou un volcan, les télescopes à muons détectent le flux de ces particules ayant traversé l'objet. Suivant la quantité de matière rencontrée, les flux provenant de différentes directions sont plus ou moins atténués. Mesurer cette atténuation permet de déduire la masse volumique des milieux, autrement dit leur densité. Avec plusieurs télescopes, cette tomographie muonique fournit des représentations en trois dimensions de l'intérieur des volcans.

Les six télescopes de la Soufrière

Sur le volcan de la Soufrière, large d'environ un kilomètre et situé au sud de l'île de Basse-Terre de Guadeloupe, six télescopes à muons sont aujourd'hui installés. La radiographie des entrailles de la structure géologique par cette technologie est développée depuis 2008, Le dernier télescope en date a été placé au nord du volcan, zone qui ne comportait pas encore de télescope à ce moment-là. La couverture angulaire permet ainsi une tomographie muonique en trois dimensions plus complète qu'auparavant, puisque le trou dans l'angle de vue nord est comblé.

Constitués de quatre plaques rectangulaires d'un mètre carré, les télescopes à muons ont besoin d'un temps d'exposition assez long pour accumuler des particules, de la même manière qu'un appareil photo ouvre son obturateur plus ou moins longtemps suivant le flux de lumière qu'il reçoit ou laisse passer. Sur le volcan de la Soufrière, leur résolution temporelle ne descend pas en-dessous d'une dizaine de jours pour former une image. Les informations qu'ils fournissent ne permettent donc pas en l'état de prévenir un événement soudain comme une éruption phréatique, mais se combinent avec des données issues d'autres techniques pour mieux comprendre ce qui se passe dans le volcan.

Mesurer l'activité hydrothermale du volcan

En analysant les contrastes de densité de matière et leurs variations au cours du temps, les télescopes apportent des informations sur la structure interne et la dynamique hydrothermale des volcans. Quel est le volume des réservoirs de vapeur ? Quelle énergie s'accumule dans les roches ? Quels effets ont les saisons des pluies sur l'état des nappes phréatiques autour du dôme ? À quels endroits la vapeur se forme et chasse l'eau liquide ? Comment évoluent les sources des fumerolles, ou les zones exposées à une activité phréatique ? Grâce l'étude du flux du muons, certaines certaines variations de 20% en trois semaines peuvent mettre en évidence des zones concernées par une arrivée brutale de vapeur.

Par exemple, à l'été 2014, les cinq télescopes de l'époque ont détecté la variation d'une masse de cinq cent mille tonnes de fluide. La tomographie muonique a permis l'observation en direct de la formation de poches de vapeur à l'intérieur du volcan, poches qui ont chassé l'eau liquide présente sous le cratère sud. Ces changements rapides à l'échelle géologique, c'est-à-dire en à peine quelques mois, ont pu être reliés à l'intensification du rejet de fumerolles par la Soufrière. Les données actuelles montrent que les mouvements de vapeur du volcan sont aujourd'hui très dynamiques sur son quart sud-est, un endroit donc exposé à une éventuelle activité phréatique. Depuis deux ou trois années, le nord-est du volcan est de plus en plus concerné, une intensification de l'activité hydrothermale dans cette zone qui se traduit par le dépérissement de la végétation du fait de l'extension des zones fumerolliennes vers le nord du volcan.

Détecter et comprendre les flux de particules

En plus de porter le nombre de télescopes muoniques à six, la qualité des instruments a été améliorée. Les matrices de détection ont divisé par deux la taille de leurs pixels, passant à une résolution de dix mètres. Avec quatre ordinateurs par télescope, l'informatique a un impact sur la consommation énergétique du système. Pour chaque télescope, le principal ordinateur de quarante watts a été remplacé par un ordinateur miniature de vingt-cinq watts. Diminuer la quantité de panneaux solaires nécessaire simplifie la quantité de matériel à installer et entretenir autour du télescope.

Afin de mieux analyser où se cache l'information pertinente dans les signaux, les algorithmes de traitement et les méthodes d'analyse des données évoluent également. Des modélisations visent à corriger l'influence de deux fluons de muons parasites. À cause des grands volumes d'atmosphère présents en contrebas des télescopes, placés au flanc du volcan, de rares muons produits en basse altitude remontent et pénètrent les télescopes par l'arrière, selon la même direction. De plus, des muons de très basse énergie peuvent dévier de leur trajectoire dès les premiers mètres du volcans, étant alors détectés par les télescopes sans avoir traversé la structure géologique. Ce flux de muons diffus ne fait varier les résultats que de quelques dix pour cents, sans même modifier les contrastes de densité qui intéressent les géophysiciens. Comme il est constant, les modélisations en cours de finalisation permettront de corriger cet effet a posteriori sur l'ensemble des données.

Article réalisé à partir d'un entretien avec Dominique Gibert, géophysicien, de l'Observatoire des sciences de l'université de Rennes.

Publié le 29 juin 2017

En savoir plus

Des particules cosmiques pour ausculter les volcans, sur CNRS Le Journal

Un documentaire sur le projet Diaphane au volcan de la Soufrière, en Guadeloupe

Arthur Jeannot
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